第2頁(yè)共168頁(yè)單片機(jī)控制的追光系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1060單片機(jī)控制的追光系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 115515第1章硬件電路設(shè)計(jì) 1210571.1單片機(jī)模塊 1117441.2電源模塊 2307861.3按鍵模塊 3103801.4光線采集模塊 4132631.5LCD1602顯示模塊 577651.6電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 6224711.6.1驅(qū)動(dòng)模塊 698771.6.2步進(jìn)電機(jī)模塊 722059第2章軟件設(shè)計(jì) 828362.1設(shè)計(jì)思路 867332.1.1編譯語(yǔ)言的選取 8143282.1.2Keil程序開(kāi)發(fā)環(huán)境 9157182.2軟件主程序設(shè)計(jì) 9第1章硬件電路設(shè)計(jì)1.1單片機(jī)模塊本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元采用單片機(jī)最小電路STC89C52芯片和相應(yīng)的外電路組成。STC89C52引腳圖如圖2。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖3。在本次設(shè)計(jì)中，使用的ADC模塊為單片機(jī)的ADC模塊。ADC的信號(hào)輸入是通過(guò)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模擬信號(hào)會(huì)經(jīng)由通道，輸入至單片機(jī)中，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。圖2stc89c52引腳圖圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖1.2電源模塊LM2596系列是NationalSemiconductor公司制作的一個(gè)輸出電流為3A的真空開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器。該系列穩(wěn)壓器提供：1.3V、5V、12V和可調(diào)電壓產(chǎn)品（-ADJ）。此外，這些芯片還為外部工作的控制提供了引腳。圖4顯示了開(kāi)關(guān)電流源的實(shí)物圖。圖4LM2596芯片實(shí)物圖LM2596包括一個(gè)150kHz振蕩器、1.23v基準(zhǔn)穩(wěn)定電路、熱關(guān)斷電路、限流電路、放大器、比較器、內(nèi)部穩(wěn)定電路等。為了不同的輸出電壓能夠產(chǎn)出，比較器的負(fù)極通常端接在參考電壓(1.23v)上，正極端接在分壓器網(wǎng)絡(luò)上。將網(wǎng)絡(luò)的輸出與內(nèi)部參考電壓值1.23V進(jìn)行比較。如果電壓發(fā)生變化，則用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，穩(wěn)定輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源電路圖如圖5所示。圖5開(kāi)關(guān)電源原理圖1.3按鍵模塊如圖6，本裝置共涉及四處按鍵，S2為總電源按鍵，控制整個(gè)電路的導(dǎo)通；S3為單片機(jī)最小電路中的復(fù)位按鍵；S4為控制電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)；S5控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止。圖6按鍵原理圖1.4光線采集模塊當(dāng)所有的光敏元件都處于接受光的均勻照射時(shí)，此時(shí)的光照強(qiáng)度幾乎大小相等，也就電機(jī)的狀態(tài)保持不運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)光敏元件受到不同強(qiáng)度光照時(shí)，根據(jù)程序編寫(xiě)控制，會(huì)使電機(jī)狀態(tài)發(fā)生改變。若電阻1與電阻2受到的光照強(qiáng)度不同于電阻3與電阻4所共同受到的光照強(qiáng)度時(shí)，即數(shù)字信號(hào)ADC存在差值，單片機(jī)會(huì)控制電機(jī)向著補(bǔ)償光照強(qiáng)度偏少的光照方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若電阻1與電阻3受到的光照強(qiáng)度不同于電阻2和電阻4受到的光照強(qiáng)度時(shí)，數(shù)字信號(hào)存在差值，控制另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)向著補(bǔ)償光照強(qiáng)度的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。光敏電阻設(shè)計(jì)如下圖7。光敏電阻連接圖如圖8。圖7光敏電阻設(shè)計(jì)布局圖8光敏電阻原理圖1.5LCD1602顯示模塊在單片機(jī)系統(tǒng)中采用液晶顯示器作為輸出設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.質(zhì)量高。與陰極射線管（crt）顯示器不同，液晶顯示器在接收信號(hào)后通過(guò)保持每個(gè)點(diǎn)的顏色和亮度連續(xù)發(fā)光，因此液晶顯示器的圖像質(zhì)量高，不閃爍。2.數(shù)字接口。LCD數(shù)字化，MCU系統(tǒng)界面更簡(jiǎn)單可靠，操作更方便。

1.小而輕。液晶顯示器通過(guò)電極控制液晶的狀態(tài)。與相同直徑的傳統(tǒng)顯示器相比，顯示器更易使用。

4、能耗低。

LCD主要使用內(nèi)部電極和IC，也就是說(shuō)，會(huì)比其他顯示器消耗更少。目前常用的是1602字符液晶顯示實(shí)物如圖9所示。LCD1602原理圖如圖10。圖91602字符型液晶顯示器實(shí)物圖圖101602字符型液晶顯示器原理圖1.6電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊1.6.1驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003是一個(gè)由硅npn復(fù)合晶體管陣列構(gòu)成的高耐壓、大電流驅(qū)動(dòng)裝置。其基極電阻為2.7k，串聯(lián)一個(gè)達(dá)林頓對(duì)，直接連接到工作電壓為5v的ttl或cmos電路。處理必須在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖區(qū)中處理的數(shù)據(jù)。ULN2003也是一個(gè)7路反向器電路。即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，uln2003輸出端為低電平。反之，則ULN2003的輸出端為高電平。圖11是uln2003的引腳圖。圖11ULN2003引腳圖本次設(shè)計(jì)共使用兩個(gè)達(dá)林頓模塊，分別為直插式和貼片式。實(shí)物圖如圖12。圖12ULN2003實(shí)物圖1.6.2步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)采集電脈沖信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為開(kāi)環(huán)控制電機(jī)的角度、線位移，在正常的運(yùn)行工作下，電機(jī)的啟停是通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的采集比較。對(duì)于步距角，步距角是通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)使得步進(jìn)電機(jī)按預(yù)定的角度/方向移動(dòng)。通過(guò)控制位移量來(lái)精確控制旋轉(zhuǎn)方向/角度，從而使其達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)到角度的精確控制，以此達(dá)到對(duì)太陽(yáng)光采集達(dá)到最大值化。系統(tǒng)中選用4相5線的5V步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)如下:

1.型號(hào)為28BYJ-48。

2.直徑:

28mm

1.電壓:

5V

2.步進(jìn)角度:

5.625

x

1/64

5.減速比:

1/64

6.單個(gè)重:

0.04KG驅(qū)動(dòng)模塊與步進(jìn)電機(jī)電路連接圖如圖13。圖13驅(qū)動(dòng)模塊與步進(jìn)電機(jī)電路連接圖第2章軟件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路2.1.1編譯語(yǔ)言的選取方案一:

C語(yǔ)言

程序語(yǔ)言緊湊靈活，具有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。沒(méi)有太多的使用上的限制會(huì)在編程上有更大自由度。可以直接訪問(wèn)物理地址，使得完全可以對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)直接控制;程序執(zhí)行效率高。C語(yǔ)言面向過(guò)程中最為重要的是算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分。通過(guò)一個(gè)過(guò)程，使得輸入能夠在進(jìn)行運(yùn)算處理后得到輸出。方案二:

C++

c++語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，于C的基礎(chǔ)之上，增加了現(xiàn)有編程語(yǔ)言的面向?qū)ο?、模板等功能，擴(kuò)展了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的內(nèi)容，使其更適合于現(xiàn)代編程的需要。而C++因?yàn)檫^(guò)于復(fù)雜，在這方面就稍遜一籌了。

方案三:

Java

Java是一種解釋性語(yǔ)言，Java很流行，但是性能比較差。因?yàn)榇a在執(zhí)行之前要進(jìn)行一定解釋。c++因?yàn)榫幾g成二進(jìn)制，所以運(yùn)行即時(shí)，速度更快。兩個(gè)程序都足夠大，而且當(dāng)c++中的代碼進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，兩者的區(qū)別在于程序之間的速度非常嚴(yán)重或令人驚訝，而C++可以比Java快得多。本次編程語(yǔ)言選擇采用C語(yǔ)言，C語(yǔ)言相對(duì)于匯編語(yǔ)言而言，其入門(mén)的門(mén)檻沒(méi)有那么高，而且使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)功能邏輯時(shí)，有著層次清晰、可讀性高，具備可遷移性等優(yōu)點(diǎn)，滿足代碼開(kāi)源和共享的要求，從某種程度上講，也降低了代碼的編寫(xiě)綜合成本。不僅滿足本次工作功能實(shí)現(xiàn)的需求，同時(shí)也為后續(xù)的調(diào)試和功能擴(kuò)展等需求提供了重要保障。2.1.2Keil程序開(kāi)發(fā)環(huán)境系統(tǒng)中所使用到的單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil,而與匯編相比，C語(yǔ)言的閃光點(diǎn)則是在可維護(hù)性、結(jié)構(gòu)性、可讀性、功能上,一目了然的邏輯框架，使得易學(xué)易用，在Keil中，包括著一整套完整的開(kāi)發(fā)方案，如C編譯器和庫(kù)管理等。我們使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(μVision)，把各個(gè)部分組合在一起。通過(guò)上面的基本詮釋選擇Keil那就是最后的選擇，最好的選擇。運(yùn)行Keil軟件，需要在操作系統(tǒng)WIN98、WINXP等內(nèi)進(jìn)行。2.2軟件主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化之后，光敏電阻的收到的光線強(qiáng)度會(huì)通過(guò)ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)反映各光敏電阻此時(shí)電壓值數(shù)據(jù)，此時(shí)程序中會(huì)對(duì)四個(gè)ADC值進(jìn)行比較判斷，程序中設(shè)定一定的閾值，當(dāng)ADC1+ADC3=ADC2+ADC4時(shí)，電機(jī)1